UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR
DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
PROYECTO FIN DE CARRERA
CONSTRUCCIÓN Y PUESTA A PUNTO DE UN
EQUIPO PARA PRUEBA DEL ESTRÉS
TERMO-MECÁNICO DE CÉLULAS SOLARES DE
CONCENTRACIÓN
Alumno:
D. Valentín Pérez Fernández
Tutor
:
D. Gabriel Sala Pano
MIEMBROS DEL TRIBUNAL:
Presidente
:
D. Gabriel Sala Pano
Vocal:
D. Ignacio Rey-Stolle Prado
Secretario:
D. Ignacio Antón Hernández
Suplente:
D. Carlos Algora del Valle
FECHA DE LECTURA:
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR
DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN
PROYECTO FIN DE CARRERA
CONSTRUCCIÓN Y PUESTA A PUNTO
DE UN EQUIPO PARA PRUEBA DEL
ESTRÉS TERMO-MECÁNICO DE
CÉLULAS SOLARES DE
CONCENTRACIÓN
VALENTÍN PÉREZ FERNÁNDEZ
2014
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar, me gustaría agradecer a Gabriel Sala la confianza que ha depositado en mí brindándome la oportunidad de iniciarme como ingeniero otorgándome el privilegio de realizar un proyecto de tales dimensiones. Gracias por todos los conocimientos adquiridos, por el apoyo constante recibido y por motivarme a sacar lo mejor de mí mismo.
Agradecer especialmente a Ignacio Antón todo el tiempo que ha dedicado a la construcción del equipo y a guiarme en todo momento en su desarrollo. Gracias por tus consejos, lecciones y, en definitiva, por todo lo que me has enseñado.
Cómo no, dar las gracias a todos los demás componentes del grupo ISI que siempre han estado dispuestos a resolverme cualquier mínima duda y a ayudarme en todo lo que he necesitado. De veras, ¡Gracias!.
Por supuesto, gracias a toda la gente del IES por su compañerismo y por el buen ambiente de trabajo que se respira que hacen que nadie quiera dejar ese lugar. Gracias por tratarme como me habéis tratado, me habéis hecho sentir en casa.
A mis dos compañeros y amigos inseparables de la carrera, Álvaro y Visa, por estar ahí en los buenos y en los no tan buenos momentos, por apoyarme siempre y por todas las experiencias que hemos vivido juntos a lo largo de estos años y las que están por venir.
Finalmente, quiero dar las gracias a mi familia por hacer de mí la persona que soy y por apoyarme siempre en las decisiones que he tomado. En especial a mi madre, que siempre ha confiado en mí y que ha luchado incansablemente contra viento y marea para que mis hermanos y yo podamos optar a todas las oportunidades que la vida nos ofrece. A mi padre y a mi abuelo Valentín que, aunque ya no estén con nosotros, son mi luz y mi guía en el camino. Donde quiera que estéis, mi meta en la vida es hacer que os sintáis orgullosos de mi.
RESUMEN
El ciclo térmico natural de la célula y receptores en módulos CPV (Concentrated PhotoVoltaic) es considerado un punto débil en la operación de campo real de estos dispositivos, así como la fluctuación entre valores altos y bajos de niveles de irradiancia incidente en la célula, comúnmente causadas por nubes, produce un estrés termo-mecánico que puede ser motivo de fallo.
La normativa IEC 6218 ha tenido en cuenta esta serie de problemas a la hora de diseñar una norma de calificación y homologación para módulos CPV. En concreto, este proyecto se va a basar en el test denominado "Thermal cycling test" que realiza un ciclo térmico en la base de la célula mientras se le inyectan pulsos de corriente. Sin embargo, este método produce un nivel de estrés un 50% menor que el estrés real en condiciones nominales.
En este proyecto se diseña e implementa la máquina LYSS (Light cYcling Stress Source) que trata de realizar dos tipos de ciclos basados en el definido en la IEC 62108 con la variación de utilizar pulsos de luz directa a muy alta irradiancia focalizada en la parte activa de la célula en lugar de los pulsos de corriente mencionados. Con este método se pretende acelerar el proceso de degradación en la célula de manera que en tan solo 2 meses se pueda producir la misma que en 30 años de vida útil de la célula. En el primer tipo de ciclo la temperatura permanece constante durante la ejecución de los pulsos de luz y, en el segundo se realiza un ciclo térmico que varía entre una temperatura mínima y otra máxima durante estos pulsos. Además, se establece un criterio de fallo basado en la estimación de la resistencia serie de la célula a partir de los valores de su curva característica IV en condiciones de oscuridad.
La metodología del proyecto realizado consiste en realizar un estudio detallado para identificar los componentes necesarios para construir la máquina, adquirirlos, llevar a cabo el montaje de éstos para que la máquina pueda implementar los ciclos diseñados, realizar los experimentos necesarios para caracterizar los diferentes dispositivos que componen la máquina, programar una aplicación de control, monitorización y adquisición de datos que comande la máquina, realizar una serie de pruebas basadas en uno de los ciclos térmico-luminosos diseñados a receptores solares de concentración reales y, por último, observar la degradación que se pudiera producirse en ésta conforme aumenta el número de ciclos realizados analizando su curva IV en condiciones de oscuridad y obteniendo conclusiones sobre la fiabilidad de la célula y/o el receptor CPV.
PALABRAS CLAVE
Sistemas de concentración fotovoltaica, receptores CPV, estrés térmico, estrés mecánico, degradación, fiabilidad, ciclo térmico, ciclo luminoso, IEC 62108
ÍNDICE
AGRADECIMIENTOS ... i
RESUMEN ... ii
ÍNDICE DE FIGURAS ... vi
ÍNDICE DE TABLAS ... xii
GLOSARIO ... xiii
CAPÍTULO 1 : INTRODUCCIÓN ... 1
1.1 ESTADO DEL ARTE ... 3
1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO ... 3
1.2.1 TIPOS DE CICLO A IMPLEMENTAR ... 5
1.3 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA ... 7
CAPÍTULO 2 : FUNDAMENTOS DE CÉLULAS SOLARES Y CRITERIO DE FALLO ... 9
2.1 INTRODUCCIÓN ... 11
2.2 LA CÉLULA SOLAR ... 11
2.3 ESTRUCTURA DE LAS CÉLULAS SOLARES ... 11
2.5 MODELO ELÉCTRICO TEÓRICO ... 12
2.6 CARACTERÍSTICA I-V DE ILUMINACIÓN ... 13
2.6.1 PARÁMETROS DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE LA CÉLULA ... 13
2.6.2 CURVA CARACTERÍSTICA EN OSCURIDAD ... 16
CAPÍTULO 3 : ESTRUCTURA DE LA MÁQUINA ... 19
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL ... 21
3.2 MÓDULO ÓPTICO ... 21
3.2.1 INTRODUCCIÓN ... 21
3.2.2 LÁMPARA DE ARCO CORTO DE XENÓN ... 22
3.2.2.2 MODELO DE LÁMPARA ESCOGIDO Y PROBLEMAS ENCONTRADOS ... 24
3.2.2.3 MEDIDA DE LA EXTENSIÓN ANGULAR DEL HAZ LUMINOSO DE LA LÁMPARA ... 34
3.2.3 ESPEJO FUERA DEL EJE (OFF-AXIS MIRROR) ... 37
3.2 MÓDULO DE CONTROL DE TEMPERATURA ... 58
3.2.1 INTRODUCCIÓN ... 58 iii
3.2.2 EFECTO PELTIER ... 58
3.2.3 MODELO ESCOGIDO ... 60
3.3 MÓDULO DE CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS ... 63
3.3.1 INTRODUCCIÓN ... 63
3.3.2 COMPACT DAQ ... 63
3.3.3 CONTROLADOR DEL ACTUADOR LINEAL ... 67
3.3.4 CONTROLADOR DE LA PLACA ENFRIADORA ... 69
3.3.5 MEDIDA CURVA IV EN OSCURIDAD ... 71
3.3.6 FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE LA LÁMPARA DE ARCO DE XENÓN ... 73
3.4 ESTRUCTURA FINAL ... 76
CAPÍTULO 4 : DISEÑO DEL SOFTWARE ... 81
4.1 INTRODUCCIÓN ... 83
4.1.1 COMPATIBILIDAD DE LOS DISPOSITIVOS CON LABVIEW ... 83
4.2 MAIN ... 87 4.2.1 PANEL FRONTAL... 87 4.2.2 ESTRUCTURA INTERNA ... 94 4.3 CONFIGURATION ... 97 4.3.1 PANEL FRONTAL... 97 4.3.2 ESTRUCTURA INTERNA ... 107
4.4 MONITORING AND CELL POSITION ADJUSTMENT ... 107
4.4.1 PANEL FRONTAL... 107
4.4.2 ESTRUCTURA INTERNA ... 109
4.5 START SELECTED CYCLE ... 111
4.5.1 DESCRIPCIÓN GENERAL ... 111
4.5.2 MEASUREMENT ... 112
4.5.3 CYCLING ... 117
4.5.4 STOP ... 123
CAPÍTULO 5 : PRUEBAS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 125
5.1.INTRODUCCIÓN ... 127 iv
5.2 MONTAJE DE LAS CÉLULAS Y CONSIDERACIONES PREVIAS ... 128
5.3 TIPO DE CICLO LARGO REALIZADO ... 133
5.4 ESTADO INICIAL DE LAS CÉLULAS ... 133
5.5 EVOLUCIÓN DE LA RESISTENCIA SERIE ... 136
CAPÍTULO 6 : CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ... 139
6.1 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ... 141
6.1.1 CONCLUSIONES ... 141
6.1.2 TRABAJO FUTURO ... 141
6.2 PUBLICACIÓN REALIZADA EN EL MARCO DE ESTE PROYECTO ... 142
BIBLIOGRAFÍA ... 143 ANEXO 1 : ESQUEMA GENERAL DE CONEXIONES ... ¡Error! Marcador no definido.
ANEXO 2 : PANEL DE CONTROL MANUAL ... ¡Error! Marcador no definido.
A2.1 DESCRIPCIÓN GENERAL ... ¡Error! Marcador no definido.
A2.2 ESQUEMA DE CONEXIONES DEL PANEL DE CONTROL MANUAL ... ¡Error! Marcador no definido.
PLIEGO DE CONDICIONES ... ¡Error! Marcador no definido.
PRESUPUESTO ... ¡Error! Marcador no definido.
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Esquema propuesto por la IEC 62108 en relación a pruebas con ciclado térmico. ... 3
Figura 1.2 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 1 ... 5
Figura 1.3 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 2 ... 6
Figura 2.1 Estructura de una célula de silicio convencional ... 11
Figura 2.2 Modelo eléctrico teórico de la célula solar ... 12
Figura 2.3 Circuito equivalente de una célula solar... 12
Figura 2.4 Característica I-V de iluminación ... 13
Figura 2.5 Ilustración de los efectos de las resistencias serie y paralelo sobre la característica de iluminación de una célula solar ... 15
Figura 2.6 Ejemplo de una curva característica de una célula solar en condiciones de oscuridad ... 17
Figura 2.7 Curvas IV en oscuridad a 15°C, 25°C, 35°C y 45°C ... 18
Figura 2.8 Curva IV en oscuridad a 25 °C y 27 °C. ... 18
Figura 3.1 Esquema general de la máquina LYSS ... 21
Figura 3.2 Espectro de una fuente de arco corto de xenón. ... 22
Figura 3.3 Muestra la imagen de una lámpara de arco de xenón donde se pueden observar los dos electrodos, ánodo y cátodo, enfrentados y separados a una distancia específica. ... 23
Figura 3.4 Muestra como un punto de luz en el foco del reflector parabólico crea un haz de luz colimada de aproximadamente el diámetro del reflector. ... 23
Figura 3.5 Fotografía del modelo de lámpara CL1000DF ... 24
Figura 3.6 Izquierda: Fotografía de la lámpara de arco corto de xenón acoplada al disipador y a la carcasa (disipador aleteado más cubierta de plástico). Derecha: Fotografía de la fuente de alimentación de la lámpara ... 25
Figura 3.7 Esquema de potencias de entrada y salida de la lámpara de arco de xenón ... 25
Figura 3.8 Superior: fotografía del disipador de calor proporcionado por el fabricante acoplado a la lámpara. Inferior: representación de las aletas y sus variables para el cálculo de área mojada ... 26
Figura 3.9 Curva característica resultante de ventiladores acoplados en serie ... 29
Figura 3.10 Ventilador modelo G2E108-AA01-50 adquirido ... 29
Figura 3.11 Cono acoplado a la lámpara acabado en un ventilador de prueba para poder medir la presión que ejerce el conjunto lámpara-cubierta de plástico-disipador ... 30
Figura 3.12 Esquema de medición de la presión. La diferencia h determinará la presión ejercida. ... 31
Figura 3.13 Ventilador centrífugo acoplado a la lámpara de arco de xenón ... 32 vi
Figura 3.14. Ventilador centrífugo al que se le ha acoplado un tubo extractor, además de un bimetal de
protección acoplado a la lámpara. ... 33
Figura 3.15 Variación de la temperatura en la carcasa de la lámpara, medida con un termopar tipo K a una potencia de lámpara 800 W. ... 34
Figura 3.16 Esquema de posicionamiento de los elementos para calcular la extensión angular de la lámpara ... 35
Figura 3.17 Captura que muestra la distribución de luz con la cámara en tres posiciones diferentes ... 35
Figura 3.18 Izquierda: Energía acumulada. Derecha: perfil por coronas. Ambas para la posición central.36 Figura 3.19 Muestra el funcionamiento de un espejo parabólico fuera del eje (off-axis mirror) que refleja y concentra el haz colimado hacia el foco de la parábola original del que procede. De esta manera se puede elegir un cierto ángulo de reflexión con respecto al eje central del espejo. ... 38
Figura 3.20 Espejo fuera del eje de 90° adquirido del fabricante EDMUND OPTICS acoplado al plato diseñado por el fabricante ... 39
Figura 3.21 Esquema que representa cómo calcular el tamaño aproximado del spot teniendo una extensión angular de 4°. ... 40
Figura 3.22 Representación de la dispersión de la luz (scattering) que puede producirse por un rayo de luz cuando éste incide en una superficie ligeramente rugosa ... 41
Figura 3.23 Escenario de simulación creado en LightTools con la disposición original de los elementos ópticos. ... 42
FIgura 3.24 Simulación del spot creado por el espejo fuera del eje en la posición original ... 43
FIgura 3.25 Escenario de simulación para α= 15°, giro alrededor del eje X. ... 43
Figura 3.26 Spots creados para α= 15° (izquierda) y para α= -15° (derecha). ... 44
FIgura 3.27 Escenario de simulación para β= 15°, giro alrededor del eje Y. ... 44
Figura 3.28 Spots creados para β = 15° (izquierda) y para β = -15° (derecha). ... 45
FIgura 3.29 Escenario de simulación para γ = 15°, giro alrededor del eje Z. ... 45
Figura 3.30 Spots creados para γ = 15° (izquierda) y para γ = -15° (derecha). ... 46
Figura 3.31 Muestra el ángulo de giro que tiene que realizar el espejo para conseguir que la distancia entre muestras sea de 10 cm. ... 47
Figura 3.32 Muestra la disposición de los diferentes elementos y variables a tratar. 𝑥1 se corresponde con la mitad de la longitud del brazo del actuador lineal y 𝑙𝑣𝑎𝑟𝑖𝑙𝑙𝑎 es la longitud de la varilla a calcular. ... 48
Figura 3.33 Estructura de giro del espejo fuera del eje ... 49
Figura 3.34 Montaje realizado para medir el tamaño del spot ... 50
Figura 3.35 Izquierda: muestra la imagen de referencia que es utilizada para calcular las constantes. Derecha: captura del spot que se crea a la distancia óptima. ... 50
Figura 3.36 Gráfica de la energía acumulada para una distancia del centro del espejo al foco de 177.8
mm ... 51
Figura 3.37 Representación de medida de una corona en el perfil por coronas para la medida del tamaño del spot creado por el espejo fuera del eje ... 51
Figura 3.38 Perfil por coronas para una distancia del centro del espejo al foco de 177.8 mm. ... 52
Figura 3.39 Izquierda: Energía acumulada. Derecha: Perfil por coronas. Ambas para una distancia del centro del espejo al foco de 192.8 mm. ... 52
Figura 3.40 Izquierda: Energía acumulada. Derecha: Perfil por coronas. Ambas para una distancia del centro del espejo al foco de 162.8 mm. ... 53
Figura 3.41 Muestra los ángulos de llegada de los rayos a la célula situada a 90° con respecto al centro del espejo. ... 54
Figura 3.42 Representa los ángulos con los que llegarán los rayos de luz a la célula inclinando el espejo y la lámpara 2.5°. ... 55
Figura 3.43 Esquema de simulación. En realidad el SOE no está inclinado 2.5°, sino que, como ya se conoce, es toda la estructura de la lámpara y espejo la que se inclina. ... 56
Figura 3.44 Distribución de intensidad angular para diferentes tamaños de cátodo, receptores y posición del cilindro. ... 56
Figura 3.45 Gráfica que muestra el porcentaje de la luz de la lámpara que llega a la salida del SOE con respecto al radio de entrada del propio SOE ... 57
Figura 3.46 Fotografía del secundario asociado al tipo de célula para las pruebas experimentales ... 58
Figura 3.47 Circuito que muestra el efecto Peltier ... 59
Figura 3.48 Representación de un módulo Peltier. ... 59
Figura 3.49 Fotografía de la placa enfriadora CP-200HT-TT junto a su fuente de alimentación y controlador ... 60
Figura 3.50 Gráfica de rendimiento de la placa enfriadora ... 61
Figura 3.51 Recorrido de la transferencia de calor desde los módulos Peltier hasta la lámina nueva a acoplar ... 61
Figura 3.52 Fotografía de la lámina acoplada a la que viene de fabrica en la placa enfriadora ... 62
Figura 3.53 Chasis NI cDAQ-9174 ... 64
Figura 3.54 Esquema de terminales y conexiones del NI 9211 ... 64
Figura 3.55 Circuito de entrada del NI 9211 ... 65
Figura 3.56 Esquema de terminales y conexiones del NI 9215 ... 65
Figura 3.57 Esquema de terminales del módulo NI 9375 ... 66
Figura 3.58 Izquierda: esquema de conexiones de entradas digitales. Derecha: esquema de conexiones
de salidas digitales ... 66
Figura 3.59 Esquema de terminales del módulo NI 9263 ... 67
Figura 3.60 Esquema de conexiones para conectar una carga a un canal del módulo NI 9263 ... 67
Figura 3.61 Actuador lineal adquirido junto con el controlador compatible. ... 68
Figura 3.62 Circuito de medida de las curvas IV en oscuridad de cada célula ... 72
Figura 3.63 Circuito de medida de la corriente para cada uno de los canales de medida (circuito adaptador) ... 72
Figura 3.64 Fuente de alimentación de la lámpara de arco de xenón ... 74
Figura 3.65 Gráfica de potencia de salida contra Iprog ... 75
Figura 3.66 Gráfica de tensión de salida de la fuente contra Iprog. ... 76
Figura 3.67 Representación del diseño externo de la estructura de soporte de la máquina LYSS ... 77
Figura 3.68 Fotografía del aspecto externo real de la máquina LYSS ... 77
Figura 3.69 Interior de la máquina LYSS ... 78
Figura 3.70 Interior de la caja de control y adquisición de datos ... 79
Figura 3.71 Fotografía que muestra donde se encuentra instalado el bimetal de protección ... 79
Figura 3.72 Detector de humo y ventiladores asociados a cada célula ... 80
Figura 4.1 DAQmx Create Channel (AI-Voltage Basic) ... 83
Figura 4.2 DAQmx Start Task ... 84
Figura 4.3 DAQmx Read (Analog DBL 1Chan 1Samp) ... 84
Figura 4.4 DAQmx Write (Analog DBL 1Chan 1Samp) ... 84
Figura 4.5 DAQmx Clear Task ... 84
Figura 4.6 MPUSBOpen ... 85
Figura 4.7 writeVelocityFirgelli ... 85
Figura 4.8 writeAccuracyFirgelli ... 85
Figura 4.9 writePositionFirgelli ... 85
Figura 4.10 readPositionFirgelli ... 85
Figura 4.11 Serial Port Config ... 86
Figura 4.12 RS-232 Communitation ... 86
Figura 4.13 Panel frontal de Main (VI principal) ... 87 ix
Figura 4.14 Menú Cycling Parameters ... 89 Figura 4.15 Menú Dark IV curve ... 90 Figura 4.16 Menú Plate Cycling. Temperatura captada por el termistor de referencia de la placa
enfriadora. ... 91 Figura 4.17 Menú Monitoring - Temperature individual graphs. Temperatura de la lámpara (Lamp), de la placa enfriadora (Plate) y de las células 1 (Cell 1) y 2 (Cell 2) captadas por los termopares conectados al módulo NI 9211. ... 92 Figura 4.18 Menú Monitoring - Temperature aggregated graphs. Todas las señales de temperatura procedente de los termopares del módulo NI 9211 pintadas en una misma gráfica ... 93 Figura 4.19 Menú Monitoring - VOC & ISC. Tensión de circuito abierto (parte superior) y corriente de cortocircuito (parte inferior) de las células 1 y 2. ... 94 Figura 4.20 Bucle while que contiene una estructura de eventos (event structure) ... 94 Figura 4.21. Esquema de la adquisición de datos de temperatura procedente de los 4 termopares conectados al módulo NI 9211 ... 95 Figura 4.22 Esquema de las funciones de LabVIEW utilizadas para escribir la Iprog (V) consigna en el canal AO2. ... 96 Figura 4.23 Esquema de las funciones de LabVIEW utilizadas para medir el estado de la lámpara ... 96 Figura 4.24 Esquema de funciones utilizadas para leer la posición actual del actuador lineal ... 97 Figura 4.25 Esquema de las funciones utilizadas para representar la temperatura de la placa enfriadora ... 97 Figura 4.26 Panel frontal del subVI Configuration... 98 Figura 4.27 Superior: Esquema de tiempos del ciclo 1. Inferior: Menú Cycle 1 ... 100 Figura 4.28 Superior: Esquema de tiempos del ciclo 2 . Inferior: Menú Cycle 2 (Izquierda: Temperatures; Derecha: Time). ... 101 Figura 4.29 Menú Log ... 102 Figura 4.30 Captura parcial del archivo Excel que almacena los valores de curva IV en oscuridad de ambas células. ... 103 Figura 4.31 Captura parcial del archivo Excel que almacena los eventos que se producen en tiempo real dentro de la ejecución de un determinado ciclo. ... 104 Figura 4.32 Captura parcial del archivo Excel para almacenar las temperaturas de cada termopar ... 104 Figura 4.33 Captura parcial del archivo Excel destinado a almacenar la posición del actuador lineal una vez que comienza el ciclado de luz. ... 105 Figura 4.34 Captura parcial del archivo Excel destinado a almacenar las tensiones en circuito abierto de cada célula. ... 105 Figura 4.35 Menú Channels ... 106 x
Figura 4.36 Menú Time Limit ... 106
Figura 4.37 Menú Adjusting ... 107
Figura 4.38 Ventana de error en el actuador lineal ... 108
Figura 4.39 Menú Cold Plate temperature monitoring ... 109
Figura 4.40 Esquema de las funciones utilizadas para medir VOC e ISC de cada célula. ... 110
Figura 4.41 Esquema de las funciones necesarias para enviar la orden de temperatura consigna a la placa ... 110
Figura 4.42 Esquema de funciones que se utilizan para abrir y cerrar relés ... 111
Figura 4.43 Esquema de funciones utilizadas para enviar la posición deseada al actuador lineal... 111
Figura 4.44 Esquema de funcionamiento del evento Start Selected Cycle ... 112
Figura 4.45 Esquema simplificado de la máquina de estados del evento Start Selected Cycle ... 112
Figura 4.47 Esquema de utilización del Express VI denominado = to within Tolerance ... 113
Figura 4.48 Esquema de medida de un punto en la curva IV en condiciones de oscuridad... 114
Figura 4.49 Esquema simplificado del proceso de polarización de la célula ... 115
Figura 4.50 VI Linear Fit ... 116
Figura 4.51 Gráfica que muestra la temperatura en cada célula en el momento en el que se realiza la medida ... 116
Figura 4.52 Esquema de estados de la implementación del Ciclo 1 ... 117
Figura 4.53 Esquema del proceso de movimiento del actuador a la posición de la célula 1 ... 118
Figura 4.54 Elapsed Time ... 118
Figura 4.55 Representación de las medidas realizadas en un ciclo de luz ... 119
Figura 4.56 Esquema de la máquina de estados para la realización del ciclo de tipo 2 ... 120
Figura 5.1 Receptor de las células a degradar por la máquina LYSS ... 127
Figura 5.2 Montaje de las células junto al secundario diseñado en la placa enfriadora ... 128
Figura 5.3 Gráfica que representa la insolación directa normal de un día nublado en Madrid en un sistema CPV ... 129
Figura 5.4 Gráfica de estabilización de la VOC ... 130
Figura 5.5 Gráfica de estabilización de la VOC aumentada ... 130
Figura 5.6 Izquierda: circuito térmico equivalente. Derecha: evolución de la temperatura durante el ciclado de luz en la parte superior del substrato ... 131 Figura 5.7 Representación de la colocación del termopar de medida en cada una las células a testear 131 xi
Figura 5.8 Esquema de colocación del termopar asociado a la placa enfriadora ... 132
Figura 5.9 Fotografía que muestra la disposición empleada del termopar asociado a la carcasa de la lámpara y del bimetal de protección. ... 132
Figura 5.10 Curva IV de la célula 1 en iluminación inicial para una concentración de 800X ... 134
Figura 5.11 Curva IV en oscuridad inicial de la célula 1 ... 134
Figura 5.12 Curva IV de la célula 2 en iluminación inicial para una concentración de 800X ... 135
Figura 5.13 Curva IV en oscuridad inicial de la célula 2 ... 136
Figura 5.14 Evolución de la resistencia serie de la célula 1 en relación con el número de ciclos de luz realizados ... 136
Figura 5.15 Evolución de la resistencia serie de la célula 2 en relación con el número de ciclos de luz realizados ... 137
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3.1 Longitud de la varilla con respecto a la longitud del brazo del actuador lineal ... 48
Tabla 3.2. Variación de la potencia de salida de la fuente de alimentación con respecto a la variable Iprog ... 75
Tabla 4.1 Coeficientes utilizados para las distintas rampas de subida de temperatura con Tmin=20 °C y Tmax= 100 °C. ... ....121
Tabla 4.2 Coeficientes utilizados para las distintas rampas de bajada de temperatura ... .122
Tabla 5.1 Número de caídas de irradiancia en Madrid causadas por nubes...129
GLOSARIO
C
CPV : Concentrated PhotoVoltaic I
IEC : International Electrotechnical Commission L
LYSS :Light cYcling Stress Source P
PC : Personal Computer
PID : Proporcional Integral Derivativo S
SOE :Secondary Optical Element U
USB : Universal Serial Bus V
VI : Virtual Instrument
CAPÍTULO 1 :
INTRODUCCIÓN
1.1 ESTADO DEL ARTE
El ciclo térmico natural de la célula y receptores en módulos CPV (Concentrated PhotoVoltaic) ha sido considerado un posible punto débil en la operación de campo real. De la misma manera, existe la sospecha de que el estrés termo-mecánico inducido por cargas repentinas de luz directa a altos niveles de irradiancia seguidas de caídas de nivel, causadas comúnmente por nubes, podría ser motivo de fallo. Esta serie de problemas han sido tomados en cuenta por la primera normativa IEC 62108 “Design
qualification and type approval” de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por sus siglas en inglés), que pretende crear una norma de calificación y homologación de módulos CPV. En ella se pueden encontrar numerosos tipos de pruebas de estrés de humedad, eléctricas, etc.
Uno de los test implementados en este documento es el denominado "Thermal cycling test", el cual se basa en inyectar pulsos de corriente, con una intensidad determinada, una vez que la base de la célula alcanza una temperatura de 25°C, mientras dicha temperatura sigue una pendiente de variación constante desde una temperatura mínima a otra máxima. Después se mantiene un cierto tiempo en la temperatura máxima para después volver a caer hasta la mínima con una pendiente similar.
Figura 1.1 Esquema propuesto por la IEC 62108 en relación a pruebas con ciclado térmico.
Sin embargo la implementación de un tipo prueba acelerada con ciclado térmico para este tipo de receptores no ha sido implementado con luz concentrada real en las células, cuando el módulo está dentro de la cámara de ciclado térmico.
El efecto térmico de la variación de la irradiancia se simula en la norma IEC 62108 por polarización directa de células, como ha podido observarse en la anterior figura. Sin embargo, este método no llega a convencer a los fabricantes de células y está actualmente limitado a 1,25 veces la intensidad de corriente nominal. El nivel de estrés es menor que el 50% del estrés real en condiciones nominales, lo que está aún más lejos de cualquier condición de prueba acelerada.
1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO
El objetivo del proyecto es el diseño, construcción y puesta a punto de una máquina, denominada máquina LYSS (Light cYcling Stress Source) a partir de ahora, que pretende, entre otras cosas, realizar dos tipos de test basados en el ciclo térmico-luminoso que se ha descrito anteriormente, citado en la
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time T em p era tu re I=Itest I=0 Tmax -40°C
Start from room temperature
C
u
rren
t
No electrical current when T < 25°C
normativa IEC 62108 y denominado "Thermal cycling test", cambiando la polarización directa de las células por luz directa concentrada a muy alta irradiancia (del orden de los 1000 soles).
Los pasos clave que se desean realizar son los siguientes: • Diseño de la estructura de la máquina
• Búsqueda y adquisición de los diferentes dispositivos que se van a emplear para su construcción
• Diseño e implementación del software de control y monitorización, así como el montaje de los dispositivos
• Pruebas de funcionamiento del sistema con receptores CPV reales y análisis de resultados El funcionamiento de la máquina LYSS se basa en proyectar el haz de luz colimado proveniente de una lámpara capaz de emitir con una alta irradiancia a un espejo fuera del eje (off-axis mirror) que es el encargado de concentrar todos los rayos de luz que le llegan en un punto, que será la parte activa de la célula. Si no se consiguiera la concentración deseada en la célula, sería necesario fabricar algún tipo de elemento óptico secundario (SOE, Secondary Optical Element) adaptado al tipo de célula a testear. Con el fin de testear dos células simultáneamente, el haz se va a mover de una célula a otra para que cuando una de ellas está en iluminación, la otra está en oscuridad (simulando el paso de una nube que oculta la luz del sol). Para ello será necesario diseñar una estructura que permita mover el espejo fuera del eje empleado de manera que se produzca el efecto deseado. Esta parte se llevará a cabo con la ayuda de un actuador lineal.
Para poder llevar a cabo el ciclado térmico de ambas células será necesario utilizar algún tipo de placa enfriadora/calentadora, comandada por un ordenador, que sea capaz de mantener una temperatura específica de base de la célula en todo momento.
Teniendo por objetivo medir la degradación que producirán estos tipos de test en la célula se va a medir la curva característica de la célula en oscuridad, es decir, la curva IV en condiciones de oscuridad. Antes y después de cada ciclo se deberá de almacenar dicha curva para poder realizar una comparativa entre los parámetros característicos de cada una y así observar la degradación que se haya producido.
En conclusión, el objetivo principal de la máquina LYSS es el de acelerar el proceso de degradación en la célula de manera que en tan solo 2 meses se produzca la misma degradación que en 30 años de vida útil.
1.2.1 TIPOS DE CICLO A IMPLEMENTAR Ciclo 1
El primer tipo de ciclo a implementar cumple el siguiente diagrama:
Figura 1.2 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 1
Este tipo de ciclo realiza el ciclado de luz a una temperatura constante (ciclo térmico-luminoso) de base de célula. En particular realiza los siguientes pasos:
1. Medida de la curva IV en condiciones de oscuridad de las células a una temperatura de medida (Tmeasure) especifica.
2. Cuando se alcanza la temperatura fija de ciclo (Tcycle) se procede a realizar el ciclo térmico-luminoso con un ciclo de trabajo de pulsos de luz determinado por las constantes de tiempo tON
y tOFF. Hay que tener en cuenta que cuando una célula se encuentra iluminada la otra se encuentra sombreada.
3. Cuando se realizan todos los ciclos de luz (Ncycles) se procede a realizar la medida de la curva IV en oscuridad de nuevo a la temperatura de medida.
Un ciclo largo (Large Cycle) se compone de una primera medida de curva IV en oscuridad, más el correspondiente ciclo térmico-luminoso, para finalmente acabar con otra medida de curva IV en oscuridad. Hay que tener en cuenta que la segunda medida de curva IV de un determinado ciclo largo equivaldría a la primera medida del siguiente ciclo largo a llevar a cabo.
Ciclo 2
El diagrama de tiempos del segundo tipo de ciclo es similar al diagrama proporcionado en la normativa IEC 62108:
Figura 1.3 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 2
En este tipo de ciclo la temperatura de la base de la célula varía desde una temperatura mínima (Tmin) hasta una temperatura máxima (Tmax) con una determinada pendiente de subida y bajada (ciclo térmico).
De manera similar al ciclo proporcionado en la normativa, cuando la temperatura de la base de la célula es menor que una determinada temperatura umbral (Tth) no se realiza el ciclado de luz.
En resumidas cuentas, los pasos que se realizan en este tipo de ciclo son los siguientes: 1. Medida de la curva IV en oscuridad a la temperatura de medida (Tmeasure)
2. Cuando se alcanza la temperatura mínima especificada (Tmin) en la base de la célula se espera un tiempo determinado (twait) a esa temperatura.
3. Rampa de subida de temperatura desde Tmin hasta Tmax con una determinada pendiente, es decir, comienza el ciclo térmico y cuando se alcanza la temperatura umbral (Tth) comienza el ciclado de luz.
4. Cuando se alcanza la temperatura máxima ésta se mantiene un tiempo especificado por el usuario (tmax)
5. Rampa de bajada de temperatura desde Tmax hasta Tmin con una determinada pendiente. Cuando se alcanza la temperatura umbral (Tth) se detiene el ciclado de luz.
6. Cuando se alcanza de nuevo la temperatura mínima termina el ciclo térmico y se procede a realizar una nueva medida de curva IV en oscuridad a la temperatura de medida (Tmeasure). Con la realización de estos dos tipos de ciclos basados en la normativa IEC 62108, el objetivo de la máquina LYSS es producir la misma degradación que pueda sufrir una célula al cabo de 10 años en tan 6
sólo unas semanas de test continuo. Es sin duda, un método rápido y eficaz de medir la vida útil de cualquier tipo de célula.
1.3 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA
La memoria se compone de 6 capítulos que se describen a continuación:
El primer capítulo no es más que una primera introducción del proyecto. Se explica qué es lo que se desea implementar con este proyecto, cómo se desea implementar y los motivos por los cuales se decidió abarcarlo, así como la metodología de trabajo a seguir para la consecución del mismo.
En el segundo capítulo se exponen los conceptos básicos de caracterización de células solares, como la curva IV tanto en iluminación como en oscuridad y los diferentes parámetros que se pueden obtener de las mismas, así como definir el criterio de fallo de las pruebas de estrés termo-mecánico a realizar por la máquina.
El tercer capítulo se dedica plenamente a explicar el diseño estructural y funcional de la máquina, así como la realización de medidas experimentales de diferentes parámetros de los dispositivos que la componen.
En primer lugar, se exponen los componentes que son necesarios para la construcción de la máquina y se resumen las características principales de los que finalmente se han adquirido. Además, se realizan medidas experimentales de algunas características de varios de ellos para comprobar, entre otras cosas, su eficiencia de funcionamiento y su efecto en los demás dispositivos de la máquina.
El cuarto capítulo corresponde al desarrollo software de la aplicación. En este capítulo se explica la programación de la aplicación implementada en LabVIEW asociada a la máquina. Se presenta mediante diagramas de flujo, imágenes de la aplicación, sencillas explicaciones y justificaciones. Proporciona una idea clara y concisa de las diferentes funciones programadas en cada bloque funcional.
El fin de este capítulo es introducir al usuario en el funcionamiento interno del programa. De este modo, será capaz de utilizar todas las herramientas proporcionadas por la aplicación para la configuración y realización de un determinado ciclo largo. Además, mediante este capítulo, el usuario es capaz de conocer a fondo la estructura del programa, con lo que se facilita la tarea de incluir en un futuro nuevas funcionalidades a la aplicación.
En el quinto capítulo se presentan los resultados obtenidos al realizar una serie de ciclos luminosos a temperatura constante (Ciclo 1) a dos receptores solares CPV comerciales. En él se explica con detalle tanto el montaje como la configuración que se ha llevado a cabo, así como las conclusiones que se pueden recoger de estas pruebas.
El sexto capítulo recoge las principales conclusiones del proyecto realizado así como el posible trabajo futuro a realizar. Además, incluye la referencia del artículo de congreso publicado en el marco de este proyecto.
CAPÍTULO 2 :
FUNDAMENTOS DE
CÉLULAS SOLARES Y
CRITERIO DE FALLO
2.1 INTRODUCCIÓN
Como ya se ha indicado con anterioridad, la característica con la que se va a medir la degradación de las células a testear es la curva IV en oscuridad.
Para poder entender la utilidad práctica de la medida de esta curva es necesario explicar conceptos básicos de caracterización de células solares, como la curva IV tanto en iluminación como en oscuridad y los diferentes parámetros que se pueden obtener de las mismas, así como definir el criterio de fallo de las pruebas de estrés termo-mecánico a realizar por la máquina.
2.2 LA CÉLULA SOLAR
Cuando la luz del Sol incide sobre ciertos materiales llamados semiconductores, los fotones que la constituyen son capaces de transmitir su energía a los electrones de valencia del semiconductor para que rompan el enlace que les mantiene ligados a los átomos respectivos. Por cada enlace roto queda un electrón libre para circular dentro del sólido. La falta de electrón en el enlace roto, llamado hueco, también puede desplazarse libremente por el interior del sólido, transfiriéndose de un átomo a otro debido al desplazamiento del resto de los electrones de los enlaces. Los huecos se comportan, en muchos aspectos como partículas con carga positiva igual a la del electrón.
El movimiento de los electrones y huecos en direcciones opuestas genera una corriente eléctrica en el semiconductor capaz de circular por el circuito externo, y liberar en él energía de la cedida por los fotones al crear los pares electrón-hueco. Para separar los electrones de los huecos, e impedir que restablezcan el enlace, se utiliza un campo eléctrico (o la correspondiente diferencia de potencial), que hace que ambos circules en direcciones opuestas, dando lugar a una corriente en el sentido del citado campo eléctrico.
2.3 ESTRUCTURA DE LAS CÉLULAS SOLARES
En las células solares convencionales este campo eléctrico se consigue en la unión de dos regiones de un cristal semiconductor, de conductividades de distinto tipo.
Figura 2.1 Estructura de una célula de silicio convencional
En el caso de que el material semiconductor sea el silicio, la región llamada de tipo n, se impurifica con fósforo, que es una región con concentración de electrones mucho mayor que la de huecos. La otra, llamada tipo p, se impurifica con boro, y es una región con una concentración de huecos mayor que la de electrones. Estas grandes diferencias entre huecos y electrones de las distintas regiones crean, para
mantenerse, un campo eléctrico dirigido de la región n a la región p, que es el responsable, también de separar los electrones y huecos extras que se producen cuando la célula está iluminada.
2.5 MODELO ELÉCTRICO TEÓRICO
Figura 2.2 Modelo eléctrico teórico de la célula solar
En la figura anterior se muestra el modelo eléctrico teórico de este tipo de células donde la unión p-n es representada por un diodo, cuyo comportamiento eléctrico es conocido, y por una fuente de corriente dispuesta en paralelo que representa la corriente fotogenerada.
En este circuito se pueden aplicar las leyes de Kirchoff obteniendo la expresión que describe su funcionamiento:
𝐼= 𝐼𝐿− 𝐼𝐷(𝑉) 𝐼= 𝐼𝐿− 𝐼0�𝑒𝑚𝑘𝑇𝑞𝑉 −1�
donde k es la constante de Boltzman , T es la temperatura absoluta de la unión, A es el coeficiente de emisión con 1<m<2 que depende del material de fabricación y q es la carga del electrón.
Este modelo básico resulta insuficiente para representar la célula. En ella existen unas corrientes de fuga del comportamiento lineal, que atraviesan la unión. Además, existe una caída de potencial proporcional a la intensidad que circula debida a la resistencia de los contactos y cables de conexión. Es por ello que debe mejorarse el modelo anterior añadiéndole una resistencia en paralelo que denominaremos Rshe
que representará la resistencia de los contactos. Con todo esto el modelo queda como puede verse en la siguiente figura:
Figura 2.3 Circuito equivalente de una célula solar
En este caso, la aplicación de las leyes de Kirchoff conduce a las siguientes expresiones: 𝐼= 𝐼𝐿− 𝐼𝐷(𝑉)− 𝐼𝑃
𝐼= 𝐼𝐿− 𝐼0�𝑒𝑞(𝑉+𝐼𝑅𝑚𝑘𝑇𝑆)−1� −𝑉+𝐼𝑅𝑆 𝑅𝑃
RP es denominada comúnmente como la resistencia paralelo y RS como la resistencia serie de la célula. Con todo lo anterior ya se puede caracterizar de forma adecuada la célula solar.
2.6 CARACTERÍSTICA I-V DE ILUMINACIÓN
De acuerdo con la primera ecuación del anterior apartado, la corriente eléctrica suministrada por una célula solar a una carga viene dada por la diferencia entre la fotocorriente 𝐼𝐿 y la corriente de recombinación o de diodo, 𝐼𝐷(𝑉), debida a la polarización producida por el voltaje generado.
Considerando la ecuación característica del dispositivo como
𝐼= 𝐼𝐿− 𝐼0�𝑒𝑚𝑘𝑇𝑞𝑉 −1�
se adopta el convenio de signos de considerar positivas las corrientes de generación, donde el primer cuadrante del plano I-V corresponde al funcionamiento de la célula entregando corriente a una carga bajo tensión positiva; es decir, corresponde al funcionamiento del dispositivo como generador de energía.
2.6.1 PARÁMETROS DE LA CURVA CARACTERÍSTICA DE LA CÉLULA
Teniendo en cuenta lo anterior, se puede representar la ecuación característica I-V en iluminación como la siguiente gráfica:
Figura 2.4 Característica I-V de iluminación Corriente de cortocircuito
Como puede observarse en la anterior figura, el mayor valor de corriente en la región de generación se obtiene para condiciones de cortocircuito, V=0. Según la ecuación básica de la célula la corriente de cortocircuito ISC viene dada por:
𝐼𝑆𝐶 =𝐼 (𝑉= 0) = 𝐼𝐿
Tensión de circuito abierto
Si el dispositivo se mantiene en circuito abierto, I=0, éste se autopolarizará con una cierta tensión, que es la mayor que puede soportar en la región de generación. Se trata de la tensión de circuito abierto VOC
y su valor es tal que la fotocorriente queda completamente compensada por la corriente de polarización. Esto es, 𝐼𝐿=𝐼𝐷(𝑉𝑂𝐶), en condiciones de circuito abierto y, teniendo en cuenta la ecuación básica de caracterización de la célula, resulta:
𝑉𝑂𝐶=𝑚𝑘𝑇𝑞 ln�𝐼𝐿𝐼 0+ 1�
De esta manera la definición de los dos parámetros de operación anteriores permite escribir la característica de la célula de la siguiente manera alternativa:
𝐼= 𝐼𝑆𝐶�1− 𝑒�−𝑞
(𝑉𝑂𝐶−𝑉 𝑚𝑘𝑇 ��
La fórmula es prácticamente cierta alrededor del circuito abierto, pero su validez para todo el rango de funcionamiento es cuestionable porque los parámetros m e I0 de la ecuación básica son, en general, variables con el punto de trabajo.
Punto de máxima potencia
Como ya se ha indicado con anterioridad, la región de la curva característica comprendida entre ISC y VOC corresponde al funcionamiento de la célula como generador.
Si la energía se suministra a una carga resistiva, como se muestra en la Figura 2.4, la potencia entregada a la resistencia viene dada por el producto P = I V, y existirá un punto de funcionamiento (Im, Vm) para el que la potencia entregada sea máxima: es el punto de máxima potencia. Los valores de Im y Vm pueden obtenerse de la condición de máximo:
𝑑𝑃
𝑑𝑉= 0→0 =𝑑(𝐼𝑉)𝑚= 𝐼𝑚𝑑𝑉+ 𝑉𝑚𝑑𝐼 que también puede escribirse como
�𝑑𝑉�𝑑𝐼
𝑚=−𝐼𝑚/ 𝑉𝑚 que representa una condición de máximo completamente general.
Factor de forma
El producto entre Im y Vm da la potencia máxima entregada a la carga y viene representado en la Figura 2.4 por el área del rectángulo rayado, que es obviamente menor que la del rectángulo que representa el producto de ISC y VOC. Ambos productos se aproximan más cuanto más pronunciado sea el codo de la curva característica. Pero naturalmente en todos los casos reales el parámetro definido por el cociente
𝐹𝐹= 𝐼𝑆𝐶𝑉𝑂𝐶𝐼𝑚𝑉𝑚
es siempre menor que la unidad. Este cociente, llamado factor de forma, suele utilizarse como cuantificación de la forma de la curva característica. El factor de forma es un parámetro de gran utilidad práctica, que varía poco de unos dispositivos a otros.
Haciendo uso de estas ecuaciones, la potencia máxima entregada por la célula puede escribirse como: 𝑃𝑚=𝐹𝐹𝐼𝑆𝐶𝑉𝑂𝐶
Eficiencia de conversión energética
Es un parámetro muy importante que se define como el cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede generar a la carga y la potencia de la radiación incidente PL sobre el dispositivo:
𝜂=𝐼𝑚𝑃𝑉𝑚
𝐿
Naturalmente, esta eficiencia y la potencia máxima se obtienen únicamente si la resistencia de carga es la adecuada, dada por Vm/ Im.
En estos apartados se han presentado expresiones que describen el comportamiento de células solares ideales. A continuación se ilustra cómo influyen los efectos de las resistencias representadas anteriormente en la curva característica.
Efectos de Rs y RSh
Los efectos de RS y RSh sobre el comportamiento extrínseco de la célula quedan ilustrados en la figura en la siguiente figura:
Figura 2.5 Ilustración de los efectos de las resistencias serie y paralelo sobre la característica de iluminación de una célula solar
Observando la figura anterior se puede afirmar que el efecto de la resistencia paralelo, cuando es suficientemente pequeña, es el de reducir la tensión de circuito abierto y el factor de forma, sin afectar a la corriente de cortocircuito.
Una alta resistencia serie, por contra, reduce el factor de forma y la corriente de cortocircuito, sin afectar a la tensión de circuito abierto. El efecto de esta resistencia sobre la degradación del factor de forma es muy importante ya que es determinante de un bajo rendimiento del dispositivo, sobre todo, en aquellas células que trabajan con altos niveles de corriente debido a la iluminación mediante luz concentrada por medios ópticos.
En el caso de la máquina LYSS se esperará obtener valores de RS crecientes de forma proporcional al número de ciclos de luz inyectados a la parte activa de la célula.
Es relativamente sencillo calcular los parámetros anteriormente descritos cuando se tiene una curva característica en iluminación. Debido a que la máquina medirá esta característica en oscuridad, ya que es más sencillo hacerlo en esas condiciones, es necesario conocer cómo es posible conocer la degradación que sufren esos parámetros observando su curva de oscuridad.
2.6.2 CURVA CARACTERÍSTICA EN OSCURIDAD
Existen mecanismos para predecir la curva IV en iluminación a partir de la curva tomada en oscuridad, aunque en este dispositivo no será del todo necesario utilizarlos en principio, ya que simplemente se observará la variación en la resistencia serie ,que previsiblemente aumentará con el número de ciclos. Para ello es necesario explicar el procedimiento de cálculo de esta resistencia.
En primer lugar, se asume que la relación V-I de una célula en condiciones de oscuridad y obviando el efecto de la resistencia paralelo se puede expresar de la siguiente manera:
𝐼=𝐼0�𝑒𝑞(𝑉−𝐼𝑅𝑚𝑘𝑇𝑆)−1�
Diferenciando la ecuación anterior se obtiene una expresión para la resistencia serie a partir de la curva de oscuridad:
𝑅𝑆= 𝑑𝑉𝑑𝐼 − 𝑚 ∙𝑞 (𝐼𝑘𝑇+𝐼0) − 𝐼𝑑𝑅𝑆𝑑𝐼
En general, esta ecuación diferencial se resolvería por el método de aproximaciones sucesivas, en el cual habría que realizar dos derivadas (una por cada término diferencial de la ecuación anterior) que se definen como la pendiente de la recta de regresión en un entorno determinado del punto en cuestión.
Criterio de fallo y estimación de resistencia serie
En primer lugar, se debe de establecer un criterio de fallo de fiabilidad de la célula que sea viable con la ejecución continua de los ciclos de estrés, y que será dependiente del tipo de célula que se esté degradando.
Se decide basar el criterio de fallo en la variación de la resistencia serie, ya que el efecto en la curva de oscuridad de ésta es más evidente en zona de altas corrientes. Como ya se conoce, un incremento en la resistencia serie conlleva una disminución del rendimiento de la célula, es decir, de la potencia entregada por ésta que tendrá que ser debidamente estimada a partir del valor de la resistencia serie. Por tanto, es necesario estimar el valor de la resistencia serie de la célula solar en cuestión con un método más sencillo que el explicado anteriormente, para que el proceso de observar el fallo en el dispositivo se realice de manera más rápida.
Además, es importante tener en cuenta que la resistencia serie es diferente en condiciones de iluminación que en condiciones de oscuridad, por ello siempre se calculará y se comparará en estas condiciones.
En general una curva IV en oscuridad para una célula determinada adquiere una forma similar a la que se muestra en la siguiente figura:
Figura 2.6 Ejemplo de una curva característica de una célula solar en condiciones de oscuridad
Teniendo en cuenta todo lo anterior, se establece un método de estimación de la resistencia serie basado en calcular la pendiente de la curva en un rango de corrientes específico [Imin , Imax] , en el ejemplo [1 , 1.2], que podrá ser controlado por el usuario mediante software, ya que dependerá de las características de las células a medir.
Para el cálculo de la pendiente de la curva, se establecerá la correspondencia entre los valores correspondientes de I y V que se encuentran dentro del rango de corrientes especificado por el usuario y ,entonces, se calculará la pendiente de la línea de tendencia (ajuste lineal) que pasa por esos puntos que dará lugar a la estimación de la resistencia serie, siendo ésta la inversa de dicha pendiente.
Como ya se conoce, antes y después de cada ciclo de estrés se mide la curva IV en oscuridad de cada célula. En el momento en que se observe una variación de resistencia serie que supere el umbral de fallo, se removerá la célula en cuestión de la máquina y se medirá su curva característica en iluminación que será comparada con la curva obtenida antes de realizar el proceso de degradación para poder obtener conclusiones sobre su comportamiento.
Temperatura de medida
Uno de los factores más importantes que hay que tener en cuenta a la hora de medir las curvas en oscuridad es la temperatura a la que la célula se encuentra en el momento de la medida. El aumento de la temperatura de la célula provoca que tanto la VOC como el factor de forma disminuyan y hace que, en general, el rendimiento disminuya también.
Sin embargo, también es de suma importancia tener en cuenta que para variaciones de temperatura de 2 o 3 °C estos efectos son totalmente despreciables, es decir, una curva IV en condiciones de oscuridad de una célula determinada a 25 °C es prácticamente la misma curva tomada a una temperatura de 27 °C, por ejemplo. De hecho, la diferencia entre estas temperaturas se traduce como un desplazamiento del "codo" de la curva en oscuridad, pero no modifica la pendiente de la recta de conducción de la célula, tal y como se puede observar en la siguiente figura:
Figura 2.7 Curvas IV en oscuridad a 15°C, 25°C, 35°C y 45°C
Se observa que la pendiente en la zona de conducción es prácticamente la misma para las 4 temperaturas.
Para una diferencia de temperatura de 2 °C se obtienen las siguientes curvas:
Figura 2.8 Curva IV en oscuridad a 25 °C y 27 °C.
Se comprueba que las curvas son prácticamente idénticas a ambas temperaturas.
En resumen, la situación ideal se da cuando la medida de este tipo de curvas se realiza a temperatura constante, pero en la máquina LYSS siempre se tendrán dos o tres grados de variación durante todo este proceso de medida, tal y como se detallará en el capítulo 4.
CAPÍTULO 3 :
ESTRUCTURA DE LA
MÁQUINA
3.1 DESCRIPCIÓN GENERAL
La estructura general que se ha diseñado para la máquina LYSS se muestra en la siguiente figura:
Figura 3.1 Esquema general de la máquina LYSS
La estructura de la máquina LYSS se puede descomponer en 3 módulos diferenciados:
1) Módulo óptico. Como su propio nombre indica, se compone de todos los elementos ópticos que conforman el dispositivo: la lámpara de arco corto de xenón, el espejo fuera del eje (espejo off-axis, en el esquema), las máscaras y elementos ópticos secundarios. Estos elementos son los que se encargan de producir la luz y guiarla hasta la parte activa de la célula con la mayor eficiencia de concentración posible.
2) Módulo de control de temperatura. Este módulo se compone de la placa enfriadora (Cold Plate), que será la encargada de llegar a y/o mantener la temperatura específica en cada instante.
3) Módulo de control y adquisición de datos. Se compone de todos los elementos que adquieren y generan señales de control y adquieren datos. En concreto está formado por el CompactDAQ con los diferentes módulos que lo componen, el controlador del actuador lineal que se encarga del movimiento del haz, relés de selección y de apagado remoto de fuentes de alimentación y el controlador de la placa enfriadora. También está compuesto del circuito de medida de la curva IV en oscuridad de cada célula así como el ordenador de control del software utilizado.
3.2 MÓDULO ÓPTICO
3.2.1 INTRODUCCIÓN
Tal y como se ha especificado en la descripción general este módulo consta de los siguientes elementos: 1) Lámpara de arco de xenón
2) Espejo fuera del eje (off-axis mirror) 3) Máscaras y elementos ópticos secundarios
3.2.2 LÁMPARA DE ARCO CORTO DE XENÓN
3.2.2.1 DESCRIPCIÓN TEÓRICA
3.2.2.1.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
Una lámpara de arco de xenón es un tipo especial de lámpara de descarga de gas en la cual al pasar electricidad a través de gas xenón ionizado a alta presión.
El tipo de lámpara de arco de xenón que se va a utilizar en la máquina LYSS produce luz de forma continua. Al contrario que para los demás tipos de gases utilizados en lámparas de descarga, la lámpara de arco de xenón produce un espectro muy largo y uniforme a través de la región espectral visible, con un espectro total similar al del sol.
Figura 3.2 Espectro de una fuente de arco corto de xenón.
La temperatura de color de la luz que emite es de aproximadamente 6000K, que es similar también a la temperatura de color del espectro solar.
Además, este tipo de lámparas proporciona una salida con valores muy altos de irradiancia y luminancia en comparación con las demás fuentes de luz continua existentes. Sus características son similares a las de una fuente puntual de luz ideal. Suelen ser más estables y de larga vida útil en comparación con otras lámparas de descarga.
3.2.2.1.2 GENERACIÓN DE LUZ
La generación de la luz en este tipo de lámparas es posible gracias a la producción por la fuente de alimentación de un potencial eléctrico extremadamente alto , generalmente de unos 30.000 Voltios, que pasará por dos electrodos (ánodo y cátodo) enfrentados el uno al otro a una distancia específica y 22
separados por gas xenón. Este potencial que pasa por los dos electrodos hace que se produzca un arco que hace posible el enfoque de la luz con una precisión aceptable, como si fuera puntual. Una vez que se produce este arco la generación de luz es continua manteniendo un potencial mucho más bajo que el que lo produce manteniéndose a baja tensión y con corriente controlada (comportamiento similar al de un tiristor).
Figura 3.3 Muestra la imagen de una lámpara de arco de xenón donde se pueden observar los dos electrodos, ánodo y cátodo, enfrentados y separados a una distancia específica.
3.2.2.1.3 REFLECTOR PARABÓLICO
En el esquema propuesto en la descripción general de la máquina se observa que se requiere una fuente de luz colimada. Para que esto sea posible es necesario acoplar un reflector parabólico a la lámpara. Este reflector tiene la función de reflejar los rayos provenientes del punto de luz creado por la lámpara teniendo en cuenta que el arco se debe situar en el foco de la parábola para hacer posible que el haz de rayos de salida sea colimado.
Figura 3.4 Muestra como un punto de luz en el foco del reflector parabólico crea un haz de luz colimada de aproximadamente el diámetro del reflector.
Tal y como se mostrará en el siguiente apartado, en la práctica este haz no será del todo paralelo lo que hará que el tamaño del spot incidente en la célula sea de mayor tamaño que el esperado.
3.2.2.2 MODELO DE LÁMPARA ESCOGIDO Y PROBLEMAS ENCONTRADOS
3.2.2.2.1 MODELO ESCOGIDO
En primer lugar, se procedió a un estudio exhaustivo de los diferentes proveedores de este tipo de lámparas. El propósito era encontrar un modelo que incluyera lámpara y reflector parabólico junto con una carcasa (housing) compatible, fuente de alimentación y ventilador de refrigeración. Cuando se habla de la carcasa de la lámpara se refiere al conjunto de un disipador de calor (construido con aletas, en general) para refrigeración de la lámpara y una cubierta de plástico u otro material.
Además, es muy importante encontrar un tipo de lámpara que sea de capaz de proporcionar la potencia que se requiere para alcanzar una densidad de potencia suficiente para realizar las pruebas.
El modelo final escogido fue CL1000DF fabricado por Luxtel llc. Es una empresa especialista en este tipo de lámparas en la cual se puede escoger entre una gran variedad de potencias máximas entre un rango de 150 W a 1000 W. Se escoge la de 1000 W eléctricos ya que proporciona una potencia de hasta 250 W luminosos en un ancho de banda de 350 a 1000 nm, aproximadamente.
El tamaño del haz de rayos procede de una ventana de 2 pulgadas, es decir, 50.2 mm.
Figura 3.5 Fotografía del modelo de lámpara CL1000DF
Las principales características de esta lámpara a su potencia nominal de 1000 W son: • Salida de flujo radiante (Radiant Output) = 250 W
• Salida visible (Visible Output)= 24000 lúmenes • Salida en el ultravioleta (UV Output) = 13 W • Salida en el infrarrojo (IR Output)= 135 W
• Temperatura de color (Color Temperature) = 5050 K
• Voltaje mínimo de encendido (Minimum Ignition Voltage)= 32 kV
Es necesario utilizar elementos ópticos para concentrar toda esa potencia en un spot con el tamaño mínimo posible focalizando todos los rayos de luz en la parte activa de la célula. El encargado de realizar dicha función va a ser un espejo fuera del eje de 90° que se describirá más adelante.
3.2.2.2.2 PROBLEMAS ENCONTRADOS
El principal problema que hubo que solventar fue que el proveedor no suministraba ningún tipo de ventilador de refrigeración, simplemente ofrecía la posibilidad de adquirir la lámpara de arco de xenón y el reflector parabólico así como la fuente de alimentación y la carcasa compatible de plástico. Se debía 24
proceder entonces al acoplamiento de algún tipo de ventilador para poder refrigerar la lámpara de una manera correcta y sin peligro de sobrecalentamiento.
Figura 3.6 Izquierda: Fotografía de la lámpara de arco corto de xenón acoplada al disipador y a la carcasa (disipador aleteado más cubierta de plástico). Derecha: Fotografía de la fuente de alimentación de la lámpara
Para resolver este problema se realizó un estudio teórico para conocer qué flujo de aire forzado es necesario para poder refrigerar de forma eficiente la lámpara.
La primera decisión que se tomó fue la de que el ventilador tomara aire desde el interior de la máquina hacia el exterior, es decir, el ventilador toma aire frío del interior de la estructura de la máquina y lo expulsa al exterior a mayor temperatura debido a que éste fluye por la superficie del disipador acoplado a la lámpara. Además, de esta manera se evita que entre aire sucio del exterior y se mantenga dentro de la estructura, lo que podría traducirse en una disminución de la eficiencia de refrigeración de la lámpara y de los demás aparatos.
Flujo de aire mínimo del ventilador
Para poder realizar una correcta refrigeración se debe de calcular el flujo de aire mínimo que deberá de proporcionar el ventilador. Observando con detalle el disipador de calor proporcionado, se procede a la estimación del caudal necesario.
En primer lugar, es necesario conocer la cantidad de energía calorífica que va a desprender el disipador de calor unido a la lámpara de arco de xenón adquirida.
Figura 3.7 Esquema de potencias de entrada y salida de la lámpara de arco de xenón
Como se puede observar en el esquema anterior, tenemos a la entrada una potencia eléctrica de
1000 W continuos. Según las especificaciones proporcionadas por Luxtel llc. de estos 1000 W, unos
250 W serán convertidos en potencia luminosa, con lo que podemos suponer que 750 W serán convertidos en calor.
De este modo, según la ley de enfriamiento de Newton, la tasa de transferencia de calor por convección es: 𝑃 (W) = ℎ ∙ 𝐴𝑚𝑜𝑗𝑎𝑑𝑎∙ ∆𝑇 Donde � ℎ=𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑑𝑒𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑑𝑒𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐴𝑚𝑜𝑗𝑎𝑑𝑎= Á𝑟𝑒𝑎𝑑𝑒𝑙𝑑𝑖𝑠𝑖𝑝𝑎𝑑𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒𝑒𝑠𝑡𝑎𝑟á 𝑒𝑛𝑐𝑜𝑛𝑡𝑎𝑐𝑡𝑜𝑐𝑜𝑛𝑒𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒𝑑𝑒𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 ∆𝑇=𝑇𝑚á𝑥𝑙𝑎𝑚𝑝− 𝑇𝑎𝑚𝑏= 85 ℃; 𝑇𝑚á𝑥𝑙𝑎𝑚𝑝= 110 ℃ ; 𝑇𝑎𝑚𝑏= 25 ℃
Es necesario realizar la suposición de que en todos los puntos del disipador se tiene la misma temperatura, es decir, es isotérmico.
Como puede observarse, para calcular el coeficiente ℎ que se necesita para una correcta refrigeración se debe calcular el área mojada por al aire que fluye a través del disipador.
El disipador de calor se compone de dos piezas idénticas (una en el cátodo y otra en el ánodo de la lámpara) con un número determinado de aletas con espesor pequeño más una con cierto grosor que no se puede despreciar, como se observa en la siguiente figura.
Figura 3.8 Superior: fotografía del disipador de calor proporcionado por el fabricante acoplado a la lámpara. Inferior: representación de las aletas y sus variables para el cálculo de área mojada
A B
P
De la figura anterior se obtienen las siguientes variables: � 𝐴=𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑒𝑙𝑎𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎= 12 mm 𝐵=𝑎𝑛𝑐ℎ𝑢𝑟𝑎𝑑𝑒𝑙𝑎𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎= 1 mm 𝑃=𝑝𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑𝑑𝑒𝑙𝑎𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎= 30 mm 𝐶=𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠= 2 mm
Cada pieza se compone del siguiente número de elementos: - 86 aletas como las descritas anteriormente
- 2 aletas centrales con las mismas características que las anteriores pero con un grosor de 9 mm
- Superficie lateral del cilindro que también estará en contacto con el aire.
Cada aleta tiene dos caras que entran en contacto con el aire, por lo tanto, el área mojada de cada una de las 86 aletas descritas anteriormente sin tener en cuenta el grosor es:
𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 = 2∙ 𝐴𝑐𝑎𝑟𝑎_𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎= 2∙ 𝐴 ∙ 𝑃= 2∙12 mm∙30 mm = 720 mm2
Para las dos aletas centrales la ecuación, suponiendo que las aletas son idénticas salvo por el grosor que es mayor, es:
𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎_𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙= 𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎+ 𝐺𝑟𝑜𝑠𝑜𝑟= 720 mm2 + 12 mm∙9 mm = 828 mm2
El área lateral del cilíndro donde están soldadas las aletas, que también influye en la refrigeración de la lámpara, es: 𝐴𝑙𝑎𝑡_𝑐𝑖𝑙= 2∙ 𝜋 ∙ 𝑟 ∙ ℎ Donde � 𝑟ℎ==𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜𝑑𝑒𝑙𝑑𝑒𝑙𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜= 35 mm= 30 mm y entonces 𝐴𝑙𝑎𝑡_𝑐𝑖𝑙= 2∙ 𝜋 ∙35∙30 = 6597.34 mm2≈6600 mm2
El área mojada por el aire que fluye en el disipador será el doble (ya que se compone de dos piezas idénticas) de la suma del área de las 86 aletas más delgadas, la de las 2 aletas centrales y la de la superficie lateral del cilindro. Se puede expresar con la siguiente fórmula:
𝐴𝑚𝑜𝑗𝑎𝑑𝑎= 2 ∙ �86∙ 𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 + 2∙ 𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎_𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙+ 𝐴𝑙𝑎𝑡_𝑐𝑖𝑙�
= 2 (86∙720 mm2+ 2∙828 mm2+ 6600 mm2) = 140852 mm2 Con todo esto, el coeficiente h necesario es:
ℎ=141 ∙ 10750 W−3 m2 ∙85 ℃= 62.6 m2W∙ ℃
El disipador de calor está preparado para utilizar ventiladores de 92 mm de diámetro que tendrán un área de:
𝐴𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟=𝜋 ∙ 𝑟2=𝜋 ∙462= 6647.6 mm2= 6.65 ∙ 10−3m2
Cuando se utiliza aire forzado, la correspondencia entre la velocidad del aire y el coeficiente de transferencia de calor necesario es la que refleja a continuación:
�𝐴𝑖𝑟𝑒𝑎 1 m s⁄ ℎ= 10 W m2∙℃ 𝐴𝑖𝑟𝑒𝑎 2 m s⁄ ℎ= 15 mW2∙℃
Se puede estimar que para el coeficiente h necesario se obtiene una velocidad del aire de:
𝑣= 62.6 Wm2∙ ℃ ∙2 m s⁄ 15 Wm2∙ ℃
= 8.3 m/s
Se quiere conocer ahora el flujo de aire que pasará entre las rendijas del disipador de calor, para ello sabemos que la distancia entre aletas es de 2 mm y que el aire pasará entre aproximadamente 86 “huecos” de anchura 2 mm y de altura A. De manera que:
𝐶=𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠= 2 mm
𝐴ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜=𝐴 ∙ 𝐶= 12 mm ∙2 mm = 24 mm2= 2.4 ∙10−5 m2 Con lo que queda un flujo de aire necesario de
𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜𝑑𝑒_𝑎𝑖𝑟𝑒_𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑜= 86 ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜𝑠 ∙ 𝐴ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜(m2)∙ 𝑣 (m/s)∙3600 hs = 86 ℎ𝑢𝑒𝑐𝑜𝑠 ∙2.4 ∙10−5 m2∙8.3 m s ∙3600 s h = 62 m3 h
Se deberá de obtener un flujo mayor que ese para al menos proporcionar una temperatura máxima de 110 ℃.
Una vez conocido el flujo necesario se procedió a la búsqueda de proveedores que pudieran proporcionarnos un ventilador de las siguientes características:
• Diámetro = 92 mm
• Flujo de aire ≥ 62 m3 h
• Material: todos los componentes de metal, para que pueda resistir mayor temperatura.
• Cojinete: a bolas que proporciona una vida útil de larga duración y mejores características en cuanto a la temperatura.
Finalmente, se procedió a la compra del modelo 3656 del fabricante ebmpapst que proporciona las siguientes características: • Axial • Dimensiones = 92x92x38 mm • Flujo de aire = 75 𝑚3 ℎ • Velocidad nominal = 2700 rpm • Cojinete a bolas • Rango de temperatura = -40 ℃ a 75 ℃ • Material : todos los componentes de metal.
El acoplamiento de los dos ventiladores en serie nos permitirá mejorar características de presión y caudal, tal y como se muestra en la siguiente figura:
Figura 3.9 Curva característica resultante de ventiladores acoplados en serie
Se observa que para una presión constante se obtendrá un mayor caudal de aire siempre y cuando el acoplamiento sea correcto, aunque los resultados son prácticamente imperceptibles en la práctica. Las sesiones de prueba del estrés que se van a llevar a cabo con este tipo de lámparas serán, en general, de muy larga duración (entre 10 y 12 horas), con lo cual es necesario estar completamente seguro de que la refrigeración es suficiente para no tener que interrumpir ningún ciclo antes de que éste se haya completado, ya que si la temperatura de la lámpara superara los 75 °C o comenzara a producirse humo dentro de la estructura de la máquina, la lámpara se apagaría y el ciclo quedaría incompleto, debido a los elementos de protección que se detallarán más adelante.
Por todo esto, se procedió a sobredimensionar las características del ventilador en este aspecto, adquiriendo uno que sea capaz de ofrecer un flujo mucho mayor. El modelo escogido fue el G2E108-AA01-50 del mismo fabricante que el anterior, ebmpapst. Se decidió utilizar los ventiladores axiales 3656 para expulsar aire caliente del interior de la máquina, tal y como se verá en el último apartado de este capítulo.
Figura 3.10 Ventilador modelo G2E108-AA01-50 adquirido